半导体物理简明教程西电半开卷
西安电子科技大学801半导体物理与器件物理基础考研真题两份(优质最新2020年和2019年
西安电子科技大学2020年硕士研究生招生考试初试试题考试科目代码及名称801半导体物理考试时间2019年12月22日下午(3小时)答题要求：所有答案(填空题按照标号写)必须写在答题纸上，写在试题上一律作废，准考证号写在指定位置!一、填空题(30分，每空1分)1、根据晶体对称性， Si的导带底在(1) 晶向上共有(2)个等价的能谷， Si的导带极小值位于(3) , Si 的导带电子有效质量是(4) 的。
2、有效质量各向异性时电导有效质量(me)l=(5) ,半导体Si的mi=0.98ma,m,=0.19ma 它的电导有效质量是(6) 。
3、半导体的导电能力会受到外界的(7) 、(8) 、(9) 和电场强度、磁场强度的影响而发生显著变化，半导体的电阻率通常在(10) 2 cm 范围内，4、室温下Si 的Nc=2.8×10/⁹cm³,如果Ep=Ec 为简并化条件，则发生简并时Si的导带电子浓度为. (11)c m³ (费米积分Fiz(O)=0.6); 室温下Ge 中掺P(4Ep=0.012eV), 若选取Ep=EckoT 为简并化条件，发生简并时电离杂质浓度占总杂质浓度的比例为(12) %。
5、根据杂质在半导体中所处位置，可将杂质分为. (13) 式杂质和(14) 式杂质；根据杂质在半导体中得失电子或空穴情况，可将杂质分为. (15) 和(16) 杂质；若将Au 掺入Ge 中可以引入(17) 个杂质能级，存在着(18) 种荷电状态；若将Au掺入Si中可以引入(19) 个杂质能级，这些能级都是有效的(20)6、一维情况下的空穴连续性方程是(21) ,其中方程等号左边项表示(22) ,方程等号右边第一项表示(23) ,等号右边第二和第三项表示(24), 等号右边第四项表示 (25) ,等号右边第五项表示(26) 。
稳态扩散方程只是连续性方程的一个特例，当连续性方程中的(27)= 0、(28)= 0、(29)= 0、(30)= 0时，就由连续性方程得到了稳态扩散方程。
半导体物理试验-微电子学院微电子试验教学中心-西安电子科技大学
《半导体物理实验》教学大纲课程编号：MI4221016课程名称：半导体物理实验英文名称：Experiments ofSemiconductor Physics学时：8 学分：0.5课程类别：限选课程性质：专业课适用专业：集成电路与系统集成先修课程：半导体物理和半导体器件电子学开课学期：4 开课院系：微电子学院一、课程的教学目标与任务目标：培养学生独立完成半导体材料特性测试、分析的实践动手能力，巩固和强化半导体物理知识，提升学生在微电子技术领域的竞争力，培养学生灵活运用理论知识解决实际问题的能力，锻炼学生分析、探讨和总结实验结果的能力。
任务：在理论课程的学习基础上，通过大量实验，熟练掌握现代微电子技术中半导体材料特性相关的实验手段和测试技术。
课程以教师讲解，学生实际动手操作以及师生讨论的形式实施。
二、本课程与其它课程的联系和分工本实验要求学生掌握半导体物理效应的测试技术和分析手段，共设置9个实验，要求学生选择完成其中4个实验。
（一）高频光电导衰退法测量非平衡少子寿命（2学时）具体内容：利用高频光电导衰退法分别测量具有高、中、低电阻率的半导体单晶硅样品的少子寿命，并对测试结果进行分析和探讨。
1.基本要求（1）掌握高频光电导衰退法测量少子寿命的测试原理和方法；（2）掌握半导体材料中少子、少子寿命和电阻率等相关概念。
2.重点、难点重点：高频光电导衰退法测试实验样品的少子寿命；难点：概念理解和测试结果分析和探讨。
3.说明：学习和掌握非平衡少子寿命的测试原理和测试方法。
（二）恒定表面光电压法测量硅中少子的扩散长度（2学时）具体内容：利用恒定表面光电压法测试硅样品中少子的扩散长度。
1.基本要求（1）了解恒定表面光电压法测试硅材料中少子扩散长度的测试原理；（2）掌握半导体中少子扩散长度的测试方法。
2.重点、难点重点：对实验样品进行少子扩散长度的测试；难点：实验仪器的使用和少子扩散长度的准确测量。
3.说明：掌握半导体中少子扩散长度的测试方法。
半导体物理西电考研真题
半导体物理西电考研真题半导体物理是电子信息科学与技术专业考研中的重要科目之一，也是西安电子科技大学考研的必考科目。
在考研过程中，半导体物理的真题是考生们必须要重点关注和准备的内容之一。
本文将从半导体物理的考研真题出发，探讨其重要性以及备考策略。
半导体物理作为电子信息科学与技术专业的核心课程，涉及到半导体材料的基本理论和应用。
在半导体物理的考研真题中，通常会涉及到半导体材料的能带结构、载流子的输运过程、PN结的特性以及半导体器件的基本原理等内容。
掌握这些知识点，不仅可以帮助考生们更好地理解半导体材料的物理特性，还能够为后续的专业课程打下坚实的基础。
在备考半导体物理的过程中，考生们应该注重真题的分析和解答。
通过对历年真题的仔细研究，考生们可以了解到考试的出题规律和重点内容。
同时，通过解答真题，考生们可以巩固自己的知识点，提高解题的能力和应变能力。
此外，考生们还可以通过参加模拟考试来检验自己的备考成果，并及时发现自己的不足之处，进行有针对性的复习和提高。
除了真题的分析和解答，考生们还应该注重理论的学习和实践的操作。
半导体物理作为一门理论与实践相结合的学科，理论的学习和实践的操作同样重要。
通过理论的学习，考生们可以了解半导体物理的基本原理和理论模型，从而更好地理解半导体材料的特性和应用。
而通过实践的操作，考生们可以亲自动手进行实验，观察和分析实验数据，加深对半导体物理的理解和掌握。
此外，考生们还可以通过参加学术研讨会和交流活动来提高自己的学术水平和专业素养。
学术研讨会和交流活动是考生们展示自己研究成果和学术观点的重要平台。
通过参加这些活动，考生们可以与同行进行深入的学术交流，了解最新的研究进展和学术动态，提高自己的研究能力和学术水平。
在备考半导体物理的过程中，考生们还应该注重综合能力的培养和提高。
半导体物理作为一门综合性的学科，需要考生们具备扎实的理论基础、良好的实践操作能力以及较强的分析和解决问题的能力。
801半导体物理 西电 西安电子科技大学 2022年硕士研究生招生考试自命题科目考试大纲
801半导体物理考试大纲一、总体要求“半导体物理”要求学生熟练掌握半导体的相关基础理论，了解半导体性质以及受外界因素的影响及其变化规律。
重点掌握半导体的晶体结构、半导体中的电子状态和带、半导体中的杂质和缺陷能级、半导体中载流子的统计分布、半导体的导电性、半导体中的非平衡载流子等相关知识、基本概念及相关理论，掌握半导体中载流子浓度计算、电阻(导)率计算以及运用连续性方程解决载流子浓度随时间或位置的变化及其分布规律的计算等。
“801半导体物理”研究生招生考试是所学知识的总结性考试，考试水平应达到或超过本科专业相应的课程要求水平。
二、知识要点（一）半导体晶体结构和缺陷1.主要内容半导体的分类及其特点，半导体的性质及导电能力对外界因素的依赖性，半导体化学键的性质和半导体的晶体结构，金刚石与闪锌矿结构的特点及其各向异性。
2.具体要求固体的分类半导体性质化学键类型和晶体结构的规律性半导体晶体结构与半导体键的性质晶格、晶向与晶面半导体中常用的晶向与晶面金刚石结构和闪锌矿结构的特点及其各向异性砷化镓晶体的极性（二）半导体中的电子状态1.主要内容半导体中电子状态与能带，半导体中的电子运动与有效质量，空穴，回旋共振原理与作用，Si的回旋共振实验结果，常用元素半导体和典型化合物半导体的能带结构。
2.具体要求半导体中的电子状态、表征和能带半导体中电子的运动和有效质量，有效质量的意义本征半导体的导电机构，空穴的概念，空穴等效概念的作用与意义回旋共振原理、作用及其Si晶体的回旋共振实验结果Si、Ge和典型化合物半导体的能带结构（三）半导体中杂志和缺陷能级1.主要内容半导体中的杂质和缺陷，元素半导体中的杂质和缺陷能级，化合物半导体中的杂质能级、位错和缺陷能级。
2.具体要求Si和Ge晶体中的杂质和杂质能级杂质的补偿作用与应用深能级杂质Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中的杂质能级等电子杂质与等电子陷阱半导体中的缺陷与位错能级（四）半导体中载流子的统计分布1.主要内容状态密度，分布函数、Fermi能级，载流子统计分布，本征和杂质半导体的载流子浓度，补偿半导体的载流子浓度，简并半导体2.具体要求状态密度的定义与计算分布函数费米能级、费米能级意义非简并半导体载流子的统计分布本征半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度杂质补偿半导体的载流子浓度简并半导体及载流子浓度、简并化判据、简并半导体的特点与杂质带导电载流子浓度的分析计算方法及其影响载流子浓度的因素（五）半导体的导电性1.主要内容载流子的漂移运动，迁移率，载流子的散射，迁移率与杂质浓度和温度的关系，电阻率与杂质浓度和温度的关系，强场效应与热载流子2.具体要求漂移的概念与规律载流子漂移运动迁移率定义及物理意义载流子散射概念半导体中的主要散射机制、特点及其影响因素半导体中其它因素引起的散射迁移率与杂质浓度和温度的关系电阻率及其与杂质浓度和温度的关系载流子在强电场下的效应高场畴区与Gunn效应；（六）非平衡载流子1.主要内容非平衡状态，非平衡载流子的产生与复合，非平衡载流子寿命，准费米能级，复合理论，陷阱效应，非平衡载流子载流子的扩散与漂移，爱因斯坦关系，连续性方程2.具体要求非平衡状态及其特点非平衡载流子的注入与复合准费米能级概念与意义非平衡载流子的寿命及其影响因素直接复合与间接复合理论表面复合陷阱效应扩散概念与规律半导体中载流子的扩散运动Einstein关系半导体中的电流构成连续性方程的建立及意义连续性方程的典型应用三、考试形式1、考试时间：180分钟。
西北大学 半导体物理 课件02
Part 1
第二章
第二章
2.1杂质和杂质能级
2.2缺陷及其作用
一、杂质的类型
一、杂质的类型杂质的类型
二、浅能级杂质
1.浅施主杂质
导带电子导电的半导体称为电子型或n型半导体。
二、浅能级杂质
2.浅受主杂质
把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴半导体或P型半导体。
三、浅能级杂质电离能的计算—类氢模型
四、杂质的补偿作用
四、杂质的补偿作用
五、深能级杂质
五、深能级杂质著，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强得多。
六、III-V族化合物中的杂质能级
一、点缺陷
一、点缺陷
1、空位、间隙的产生与消失
(b)缺陷。
一、点缺陷
二、线缺陷——位错。
半导体物理学简明教程 (2)[111页]
![半导体物理学简明教程 (2)[111页]](https://img.taocdn.com/s3/m/d53f7c38bcd126fff7050bcf.png)
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
40
2.4.2 能带图及其画法
图2.7在简约区能带图的右边画出了使用方便的简化能带 图，其纵坐标为电子能量，横坐标通常是没有意义的。 这种表示方法简单，直观性强，是经常使用的一种能带 图。例如在讨论半导体表面问题和半导体接触现象时， 用的都是这种图，并使横坐标也有明确的含义。图中Eg 表示两个能带之间的带隙宽度即禁带宽度。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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2.4.2 能带图及其画法
（2）重复区形式：把每一个能带都按照式 (2.4-3)周期 性地重复，在每一个布里渊区中表示出所有的能带。 这时E是k的多值函数。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
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2.4.2 能带图及其画法
（3）简约区形式：在第一布里渊区中表示出所有能带 。这时E是k的多值函数，与每个k值对应的不同能量属 于不同的能带，如图2.6所示。在用图形表示晶体的能 带结构时经常使用的就是这种形式。
V (r + Rm ) = V (r )
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
3
2.1 周期性势场
上图给出一维周期性势场的示意图。周期性势场可以 看做是各个孤立原子的势场的叠加。V1, V2, V3, …分别 代表原子1, 2, 3, …的势场，V代表叠加后的晶体势场。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
11
波矢量k和波矢量 k’= k+Kn标志的两个状态
( n1, n2, n3为任意整数) 为倒格矢。晶格平移矢量 Rm 和倒格矢 Kn 之间满足如下 关系 K n Rm 2 ( μ为任意整数) (1.3-5) 所以 iK n Rm (2.2-6) e 1 式(2.2-6)即为式(1.3-4)。利用式(2.2-6)，有
西电半导体物理课件—第4章 半导体的导电性
1
τ
=
P1
+
P2
+
P3
+......=
1
τ1
+1
τ2
+1
τ3
+......
考虑到μn=qτn/m n * ，可得
1 = 1 + 1 + 1 + ......
μ μ1 μ2 μ 3
三、载流子的迁移率、电阻率 与浓度和温度的关系
主要内容
1、 电导率、迁移率与平均自由时间的关系 2、 迁移率与杂质浓度和温度的关系 3、 电阻率与杂质浓度和温度的关系
载流子在连续两次散射之间的时间间隔称为自由时间t。
载流子在连续两次碰撞内所经过的距离称为自由程l。
关系： l=vT*t
2. 平均自由时间、平均自由程
平均自由时间τ—— τ = t1 + t 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + t N = ∑ t i
N
N
平均自由程 l—— l = l1 + l2 + ⋅ ⋅ ⋅ + l N = ∑ li
Ⅳ、半导体中的散射机构
1. 晶格振动散射
格波的能量： ( 1
2
+
n ) hv a
格波能量每增加或减少 hva，称作吸收或释放一个声子。
根据玻耳兹曼统计理论，温度为T时，频率为υa的格波的平均能量：
1 2
hν a
+[ exp(
1
hν a
)
]hν a
−1
k 0T
平均声子数
nq =
exp(
1
hν a ) − 1
对于等能面为旋转椭球面的多极值半导体
西电801半导体物理1999至2014年17类大题与考频
E (k x , k y , k z ) EV
h2 kx2 k y2 kz2 2m* p
三维、导带极小值位于 kox , koy , koz 处，椭球等能面（有效质量各向异性）
2 2 2 h 2 k x kox k y koy k z koz E (k x , k y , k z ) EC 2 m* m* m* x y z
h2 2 k 2 ky * x 2mn
三维、导带极小值位于 0, 0, 0 处，球形等能面（有效质量各向同性）
h2 2 E (k x , k y , k z ) EC k 2 ky k z2 * x 2mn
三维、价带极大值位于 0, 0, 0 处，球形等能面（有效质量各向同性）
1 no V 4
1 EC gC ( E ) f B ( E )dE V
3 * 2 n 3 3
1 * 2 E EF (2mn ) dE EC 4 V h3 ( E EC ) 2 exp koT
3
(2m ) h
1 E EF 2 ( E E ) exp C EC koT
f (E) 1 E EF 1 exp koT
， E 与 EF 相差不大，受到泡利不相容原理限制，简并态
玻尔兹曼函数： f B ( E ) exp E EF koT
， E EF ，不受到泡利不相容原理限制，非简并态
相应的 1 f ( E ) ， 1 f B ( E ) 为量子态为空（空穴）的概率
1、k 空间
k 空间：量子力学中用 k 空间描述能量 E 的量子化
《半导体物理》课程考试大纲 .doc
《半导体物理》课程考试大纲一、适用专业：集成电路工程二、参考书目：1．刘恩科朱秉升编，半导体物理学，国防工业出版社三、考试内容与基本要求：第一章绪论[考试要求]本章要求学生掌握本课程研究的对象和内容，了解半导体材料及器件的应用，了解本课程的基本要求；了解与半导体晶体相关的概念，重点掌握倒格子、布里渊区的概念，重点了结晶体中的缺陷、晶格振动和晶体中的电子运动。
[考试内容]①晶格、格点、基矢、布里渊区、倒格子等概念②晶体中的缺陷、晶格振动③晶体中的电子运动第二章半导体中的电子状态[考试要求]本章要求学生掌握电子、空穴和有效质量的概念，重点了解和掌握半导体的能带结构，了解半导体中的杂质和缺陷能级。
[考试内容]①电子、空穴和有效质量的概念②能带论，并用能带理论解释半导体物理学中的一些现象③常用半导体的能带结构④半导体中的杂质和缺陷第三章热平衡状态下载流子的统计分布[考试要求]本章要求学生掌握状态密度及费米能级的概念，掌握热平衡状态下本征半导体及杂质半导体的载流子浓度，了解非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化。
[考试内容]①状态密度及费米能级的概念以及它们的表达式②热平衡状态下本征及杂质半导体的载流子浓度③非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化④简并半导体第四章载流子的漂移和扩散[考试要求]本章要求学生掌握半导体中载流子的各种散射机制，了解电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系，掌握载流子的扩散和漂移运动、爱因斯坦关系。
[考试内容]①半导体中载流子的各种散射机制②电导率和迁移率③电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系④载流子的扩散和漂移运动，爱因斯坦关系⑤强电场效应，热载流子第五章非平衡载流子[考试要求]本章要求学生掌握非平衡载流子的注入与复合，了解各种复合理论，连续性方程。
[考试内容]①非平衡载流子的注入与复合②各种复合理论③连续性方程第六章p-n结[考试要求]本章要求学生掌握p-n结概念及其能带图，掌握理想p-n结的电流电压关系，了解p-n 结电容，了解实际p-n结的电流电压关系、p-n结击穿、p-n结隧道效应等。
西安电子科技大学半导体物理课件——第三章 半导体中的载流子
（2）费米能级和多子浓度
当温度很低时，杂质电离很弱，此时有
Ⅷ、低温弱电离区（续）
（3）费米能级与温度的关系
I)
当温度T 0K时，有 可知，当温度升至使
II) 由
这说明，当温度从低温极限开始上升时， 费米能级很快上升；当温度上升到Nc=0.11ND 时，费米能级上升到极大值；当温度继续上升 时，费米能级又开始下降。 费米能级随温度的变化关系如右图所示。
常见的分布函数
1. 麦克斯韦速度分布率 2. 波尔兹曼分布率(古典统计) ——粒子可区分！ 3. 费米-狄拉克统计分布
f(v) m ⎛ ⎞ = 4π ⎜ ⎟ ⎝ 2 π kT ⎠
2
3 2
v 2e
−
−
mv 2kT
2
f B (u k ) =
π
(kT )
−
3 2
uke
uk kT
f
FD
(u)
=
1 1 + e 1
状态密度
导带底E(k)与k的关系
h2k 2 E (k ) = E c + * 2m n
能量E~(E+dE)间的量子态数
dZ = 2V × 4π k dk
2
可得
(2m ) ( E − Ec ) k= h
* n 2 1 1 2 * m n dE , kdk = h2
状态密度
代入可得
(2m ) dZ = 4π V h
E (k ) = E c k 32 h 2 k 12 + k 22 + + ( ) mt ml 2
3
设导带底的状态有s个，根据同样方法可求得
(2m ) g c ( E ) = 4π V h
西电半导体物理教案chapter2
School of Microelectronics
在图 (a)中，A点的状态和a点的状态 完全相同，也就是由布里渊区一边运 动出去的电子在另一边同时补充进来， 因此电子的运动并不改变布里渊区内 电子分布情况和能量状态，所以满带 电子即使存在电场也不导电。 但对于图(b)的半满带，在外电场的作 用下电子的运动改变了布里渊区内电 子的分布情况和能量状态，电子吸收 能量以后跃迁到未被电子占据的能级 上去了，因此半满带中的电子在外电 场的作用下可以参与导电。
N是固体物理学原胞数，代入布洛赫波函数得到 K=n/Na=n/L (n=0，±1，±2…)
因此波矢k是量子化的，并且k在布里渊区内均匀分布 ， 每个布里渊区有N个k值 。
School of Microelectronics
推广到三维
nx L1 ny Ky = L2 nz Kz = L3 Kx =
是半导体中出现的是 mn*，称mn*为导带底电子有效质量。 因导带底附近E(k)>Ec，所以mn* >0。 同样假设价带极大值在k＝0处，价带极大值为Ev ，可 以得到
h2k 2 E( k ) Ev = 2mn
1 1 d 2E = 2 2 mn h dk k =0
其中
而价带顶附近E(k)<Ev，所以价带顶电子有效质量mn* <0。
半导体器件和集成电路生产中就是利用杂质补偿作用在n型si外延层上的特定区域掺入比原先n型外延层浓度更高的受主杂质通过杂质补偿作用就形成了p型区而在n型区与p型区的交界处就形成了pn结
半导体物理
SEMICONDUCTOR PHYSICS
西安电子科技大学 微电子学院
School of Microelectronics
School of Microelectronics
半导体物理简明教程 半导体中的载流子及其输运性质
ND=1016 cm-3 时：
n D ND
1 1 2e
0.276 0.026
0.99995
nD
ND=1016 cm-3 时：
ND n D
1 1 2e 1
0.156 0.026
0.995
ND=1018 cm-3 时：
ND
1 2e
0.037 0.026
0.67
E (k ) EC
与椭球标准方程
2 k32 2 k12 k2 2 ml mt
2 k12 k12 k2 1 a 2 b2 c 2
相比较，可知其电子等能面的三个半轴 a、 b、 c 分别为
a b [
2mt ( E Ec ) 1 ]2 2
为验证杂质全部电离的假定是否都成立，须利用以上求得的费米能级位置求出各种掺杂 浓度下的杂质电离度
n D ND
1 1 2e
ED EF kT
为此先求出各种掺杂浓度下费米能级相对于杂质能级的位置
ED EF ( EC EF ) ( EC ED ) EC EF ED
f B ( E )) gV ( E )dE
带入玻尔兹曼分布函数和状态密度函数可得
p0
令
* 32 1 ( 2m p ) 2 2 3
EV
E 'V
exp(
E EF )( EV E )1 2 dE K 0T
x ( EV E ) ( K0T ) ,
则
EC EF 2k0T 带入该式，得
ND
2 2.8 1019
(1 2e e
半导体物理简明教程
半导体物理简明教程说到半导体物理嘛，那可真是个让人又爱又恨的话题。
你问它是什么？好吧，简单来说，它就是连接“电”与“物理世界”的桥梁。
你身边的手机、电脑，甚至电视，都是离不开半导体的。
你能想象没有半导体的世界吗？那就像没有灯泡的夜晚，啥都看不见了。
它们的工作原理嘛，说简单点，半导体材料可以调节电流的流动，有点像是控制开关的魔法师。
有时候它让电流流动，有时候它又让电流停下，像是在玩“开关”游戏一样。
现在你可能会问了，半导体是咋变得这么神奇的呢？那可得从它的“内部构造”说起。
你看啊，半导体其实是由一种叫做“硅”的材料构成的。
硅就是那种在自然界中看起来不起眼的东西，大家可能见过它，那些沙子里就有硅的成分。
不过呢，这些看起来平凡的东西，经过人类聪明的大脑一番加工，竟然能变成“超级英雄”一样的存在。
它的神奇之处就在于，它既不像金属那样容易让电流通过，也不像绝缘体那样完全阻止电流。
它能在某些条件下让电流流动，而在其他时候又像堵住了电流的去路。
就像你站在家门口看着小偷在门口徘徊，一会儿放行，一会儿又不给通过，充满悬念！而且啊，半导体材料本身就有一个很特别的性质，那就是“能带结构”。
你可别以为这是啥高深的术语，其实就是半导体内部有些电子在“自由溜达”，而有些电子则被“束缚”在原子里不太能乱跑。
就像家里有个超级懒的猫咪，它基本上就躺着不动，但只要你一喊，它就会飞快地跑出去。
这样一来，电流就能在这些“自由电子”的帮助下流动。
说白了，电子和电流就像是舞台上的演员，演员好好发挥，电流才能正常进行！如果你还在想半导体到底有多牛，那就听我说个例子吧。
你看啊，半导体就像是一个忠诚的“开关”控，当外界环境一改变，它马上能响应。
而这种变化通常是通过“掺杂”实现的。
掺杂，听着像是做饭的调料，其实意思是给半导体材料加入少量其他元素，从而改变它的性质。
你要是想让它让电流通过，就可以掺一点“磷”或“砷”之类的元素；如果你想让它不让电流流动，那就加点“硼”。
西邮半导体物理试卷答案
一、名词解释：（3×6=18分）初基原胞：又称初基晶胞或固体物理学原胞，是布拉非格子中的最小周期单元，也是体积最小的晶胞。
直接带隙半导体：导带底和价带顶在同一波矢位置的半导体。
格波态密度：确定体积V的晶体，在ω附近单位频率间隔内的格波总数。
杂质补偿半导体：同时含有施主杂质和受主杂质，施主和受主在导电性能上有互相抵消的作用半导体，通常称为杂质补偿半导体。
迁移率：载流子在单位电场作用下的平均漂移速度。
内建电势差：N型半导体和P型半导体接触形成PN节时，N区导带内的电子在试图进入P区导带时遇到一个势垒，这个势垒称为内建电势差。
单电子近似：假设每个电子是在周期排列且固定不动的原子核势场及其它电子的平均势场中运动，用其研究固态晶体中电子的能量状态。
电子共有化运动：原子组成晶体以后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相临的原子上去，电子在整个晶体上运动，该运动叫电子的共有化运动。
替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于在晶格点处，常称为替位杂质。
非平衡载流子的寿命：非平衡载流子的浓度减小到原值的1/e所经历的时间。
陷阱效应：当半导体处于非平衡状态时，杂质能级上的发生改变。
如果电子增加，说明能级具有收容非平衡电子的作用；若电子减少，说明能级具有收容空穴的作用，杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用称陷阱效应。
杂质的补偿：假如在半导体中，同时存在着受主和施主杂质，两者之间相互抵消的作用。
二、填空题：（1×22 =22分）1、在简并半导体中，由于电子的共有化运动而导致电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动，分裂的每个能带称为允带，其相互之间因没有能级称为禁带。
2、杂质原子进入半导基体（如硅、锗等）后，可能以两种方式存在，一种是杂质原子位于晶格原子间的位置，常称为间隙式杂质；另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称为替位式杂质。
3、位错是半导体的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能会产生严重的影响。
西安电子科技大学半导体物理第4章
均漂移速度显然不同，用μn和μp分别表示电子和空穴的迁移率。
通常用(Jn)drf和(Jp)drf分别表示电子和空穴漂移电流密 度，那
么半导体中的总漂移电流密度为
J drf J n drf J p drf ( nqn pq p ) E
n型半导体 n>>p p型半导体 p>>n
J drf J n drf nq n E
二、半导体中载流子的主要散射机构
1. 电离杂质散射
施主杂质在半导体中未电离时是中性的，电离后成为正电 中心，而受主杂质电离后接受电子成为负电中心，因此离化的 杂质原子周围就会形成库仑势场，载流子因运动靠近后其速度 大小和方向均会发生改变，也就是发生了散射，这种散射机构 就称作电离杂质散射。
为描述散射作用强弱，引入散射几率P，它定义为单位时 间内
电子数 N( t ) N0ePt
在dt时间内遭到散射的电子数等于N(t)Pdt=N0e-PtPdt，若电子的
自
由时间为t，则
1 N0
tN 0 e Pt Pdt
1 P
0
即τ和P互为倒数。
四、迁移率、电导率与平均自由时间的关系
如果电子mn*各向同性，电场|E|沿x方向，在t=0时刻某电
子遭
散射，散射后该电子在x方向速度分量q为E vx0，此后又被加速，直至 下一次被散射时的速度vx x x0 m*n t
两边求平均，因为每次x0散射后v0完t全没有规则，多次散射后v0在
x方向分量的平均值
为q E零，而q E 就是电子的平均自由时
间τn， 因此
x x0 m*n t m*n τn
n
q n
m*n
根据迁移率的定义，得到电子迁移率
西安电子科技大学半导体物理课件——第六章 P-N结
x < xj,NA > ND ⎫ ⎪ ⎬ x > xj,ND > N A⎪ ⎭
pn 结的空间电荷区
p型半导体与n型半导体接触面，漂移运动与扩散运动达到平 衡，形成稳定的空间电荷区，宽度保持不变。称为热平衡态 下的pn结。
pn 结的空间电荷区
p型半导体与n型半导体接触面，漂移运动与扩散运动下的pn结。
外加直流电压下，pn结的能带图
外电场为0
反向偏置电压
正向偏置电压
pn 结的电流电压特性
中 性 区
扩 散 区
势 垒 区
扩 散 区
中 性 区
正向偏置电压时pn结中的电流
pn 结的正向偏置电流
分析过程
正向偏置电压Vf与内建电势VD相反; 消弱势垒区的电场强度，使势垒区宽度减小，高度降低（qVD q(VD-Vf)）; 破坏了原有的扩散和漂移运动之间的平衡； 电子从n p区 空穴从p n区 形成从p n区的正向电流。 ! 正向电流与正向偏置电压有关。实验发现，正向电流I随Vf呈指数增长。
n( x n ) = nn0
当x=-xp，V(x)=0，所以p区非平衡少数载流子浓度为 qV D n ( − x p ) = n n 0 exp( − ) k 0T
pn 结的载流子分布
同理，可以求得x点处的空穴浓度为
p( x) = p n0 qV ( x ) − qV D exp( − ) k 0T
第六章
主 讲：施
pn 结
建 章
E-Mail: jzhshi@
西安电子科技大学技术物理学院 二零零七年九月
主 要 内 容
一、pn 结的一些基本概念 二、pn 结的空间电荷区和能带图 三、pn 结的接触电势差 四、pn 结的电流电压特性 五、pn 结的电容效应 六、pn 结的击穿效应 七、pn 结的隧道效应
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画出 GaAs （硅、锗）的能带结构简图，并分析 GaAs 的负微分电导现象率下降，产生负阻效应
画出适当掺杂硅样品的电阻率随温度的变化关系曲线，分析说明不 同温度区间电阻率与温度的关系 AB 段温度很低，本征激发可忽略。 载流子主要由杂质电离提供，其浓度随温度升高而增大；在该温度 区域，载流子的散射机构以电离杂质散射为主，由（4-2-13）式可 见，迁移率随温度升高而增大。因此，电阻率随温度升高而降低。 BC 段温度升高（包含室温），杂质已全部电离，但本征激发仍不十分显著，载流子浓度 基本不随温度变化。此时，晶格振动散射成为主要的，由（4-2-13）式可见，迁移率随温度 升高而降低。因此，电阻率随温度升高而增大。CD 段温度更高，本征激发增加很快，本征 载流子浓度随温度呈指数增加，此时半导体表现出本征半导体的特性，其电阻率随温度的 升高而急剧地下降。当然，不同的半导体材料以及在不同的掺杂浓度下，进入该区域的温 度是不同的。 分别画出金属与 n 型半导体材料的等 能带图（ Wm>Ws） ，分析金半结的形 成过程，并画出金半结的能带图（不 考虑表面态） 。 金属与 n 半导体接触形成阻
挡层的条件是 Wm>Ws ,其接触后的能带图如图 所示：A 金属与 n 半导体接触形成反阻挡层的条件是 Wm<Ws,其接触后的能带图如图所示：B
a
画出 Si 和 GaAs 的能带结构简图，并分析其能带结构特点 Ge、Si: a）Eg (Si： 0K) = 1.21eV；Eg (Ge：0K) = 1.170eV； b）间接能隙结构 c）禁带宽度 Eg 随温度 增加而减小； GaAs： a）Eg（300K）= 1.428eV，Eg (0K) = 1.522eV；b）直 接能隙结构；c）Eg 负温度系数特性： dEg/dT = -3.95×10-4eV/K 分别画出同种半导体材料 n 型、 p 型半导体的能带图和平衡 pn 结的能带图， 分析 pn 结的形成 过程 什么叫本征激发 ?温度越高 ,本征激发的载流子越多 ,为什么 ?试定性说明之.解:在一定温度下,价带电子获得足够的能量（≥Eg）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发.其结果是在 半导体中出现成对的电子-空穴对.如果温度升高,则禁带宽度变窄,跃迁所需的能量变小,将会有更多的电子被激发到导带中. 试定性说明 Ge、 Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因 .解:电子 的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带,即允带和禁带.温度升高,则电子的共有化运动加剧,导致允带进一步分裂,变宽;允带变宽 ,则导致允带与允带之间的禁带相对变窄.反之,温度降低, 将导致禁带变宽.因此,Ge、Si 的禁带宽度具有负温度系数. 试指出空穴的主要特征 . 解:空穴是未被电子占据的空量子态,被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态,是准粒子.主要特 征如下:A、荷正电:+q;B、空穴浓度表示为 p（电子浓度表示为 n）;C、EP=-En;D、mP*=-mn*.简述 Ge、Si 和 GaAS 的能带结构的主要特征 .解: Ge、Si: a）Eg (Si：0K) = 1.21eV；Eg (Ge： 0K) = 1.170eV； b）间接能隙结构 c）禁带宽度 Eg 随温度增加而减小； GaAs a）Eg（300K）= 1.428eV，Eg (0K) = 1.522eV； b）直接能隙结构；c）Eg 负温度系数特性： dEg/dT = -3.95×10-4eV/K ；什么叫浅能级杂质 ?它们电离后有何特点 ?解:浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质. 它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离 受主）的离子,并同时向导带提供电子或向价带提供空穴. 什么叫施主 ?什么叫施主电离 ?施主电离前后有何特征 ?试举例说明之,并用能带图表征出 n 型半导体.解:半导体中掺入施主杂质后,施主电离后将成为带正电离子,并同时向导带提供电子,这 种杂质就叫施主.施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离.施主电离前不带电,电离后带正电.例如, 在 Si 中掺 P,P 为Ⅴ族元素,本征半导体 Si 为Ⅳ族元素,P 掺入 Si 中后,P 的 最外层电子有四个与 Si 的最外层四个电子配对成为共价电子,而 P 的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子.这个过程就是施主电离.n 型半导体的能带图 如图所示:其费米能级位于禁带上方. 什么叫受主 ?什么叫受主电离 ?受主电离前后有何特征 ?试举例说明之,并用能带图表征出 p 型半导体 .解:半导体中掺入受主杂质后， 受主电离后将成为 带负电的离子,并同时向价带提供空穴,这种杂质就叫受主.受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离.受主电离前带不带电,电离后带负电.例如,在 Si 中掺 B,B 为Ⅲ族元素, 而本征半导体 Si 为Ⅳ族元素,P 掺入 B 中后,B 的最外层三个电子与 Si 的最外层四个电子配对成为共价电子,而 B 倾向于接受一个由价带热激发的电子.这个过程就是受主电离.p 型半导体 的能带图如图所示 :其费米能级位于禁带下方.掺杂半导体与本征半导体之间有何差异 ?试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响.解:在纯净的半导体中掺入杂质后,可以控制半导体的导 电特性.掺杂半导体又分为 n 型半导体和 p 型半导体.例如,在常温情况下,本征 Si 中的电子浓度和空穴浓度均为 1.5╳1010cm-3.当在 Si 中掺入 1.0╳1016cm-3 后,半导体中的电子浓度将变为 1.0 ╳1016cm-3,而空穴浓度将近似为 2.25╳104cm-3.半导体中的多数载流子是电子,而少数载流子是空穴.两性杂质和其它杂质有何异同 ?解:两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂 质.如Ⅲ-Ⅴ族 GaAs 中掺Ⅳ族 Si.如果 Si 替位Ⅲ族 As,则 Si 为施主;如果 Si 替位Ⅴ族 Ga,则 Si 为受主.所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关.深能级杂质和浅能级杂质对半导体有 何影响 ?解:深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用.浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用.何谓杂质补偿 ?杂质补偿的意义何在 ?当半导体中既有施主又有受主时,施主和受
q k0T
.何谓非平衡载流子 ?非平衡状态与平衡状态的差异何在 ?解:半导体处于非平衡
态时,附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度, 额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子.通常所指的非平衡载流子是指非平衡少子.热平衡状态下半导体的载流子浓度是一定 的,产生与复合处于动态平衡状态,跃迁引起的产生、 复合不会产生宏观效应.在非平衡状态下， 额外的产生、 复合效应会在宏观现象中体现出来.何谓迁移率 ?影响迁移率的主要因素有哪些 ? 解:迁移率是单位电场强度下载流子所获得的漂移速率.影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）温度和各种散射机构 .何谓本征半导体 ?为什么制造半导体器件一般都用含有 适当杂质的半导体材料 ?完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体.杂质能够为半导体提供载流子,对半导体材料的导电率影响极大.简要说明什么是载流子的漂移运动 ,扩 散运动和热运动 ?他们有何不同 ?解:载流子因浓度差而引起的扩散运动;在电场力作用下载流子的漂移运动; 由外加温度引起的载流子的热运动等.热运动 :在没有任何电场作用时,一定温度 下半导体中的自由电子和空穴因热激发所产生的运动是杂乱无障的 ,好像空气中气体的分子热运动一样 .由于是无规则的随机运动 , 合成后载流子不产生定向位移 ,从而也不会形成电流.漂 移运动 :在半导体的两端外加一电场 E,载流子将会在电场力的作用下产生定向运动.电子载流子逆电场方向运动,而空穴载流子顺着电场方向运动.从而形成了电子电流和空穴电流,它们的 电流方向相同 .所以,载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动,而漂移运动产生的电流称漂移电流 .扩散运动 : 在半导体中,载流子会因浓度梯度产生扩散.如在一块半导体中,一边是 N 型半导体,另一边是 P 型半导体, 则 N 型半导体一边的电子浓度高,而 P 型半导体一边的电子浓度低.反之,空穴载流子是 P 型半导体一边高,而 N 型半导体一边低.由于存在载流子浓度梯 度而产生的载流子运动称为扩散运动.就你在任何知识渠道所获得的信息，举出一个例子来说明与半导体物理相关的最新知识进展。简述 pn 结的形成及平衡 pn 结的特点 .将 P 型半导体 与 N 型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成 PN 结.PN 结具有单向导电性.在半导体中 ,费米能级标志了什么 ?它与哪些因素有关 ?系统处于热平衡状态,也不对外做功时,系统 中增加一个电子所引起系统自由能的变化. 其标志了电子填充能级的水平.温度,半导体材料的导电类型,杂质的含量,能量零点的选取等.简述浅能级杂质和深能级杂质的主要区别.解:深能 级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用.浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用.浅能级杂质就是指在半导体中、 其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子,往往就是能够提供载流子 —电子或空穴的施主、 受主杂质;它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底,因此称其为浅能级杂质. 深能级杂质 :杂质电离能大,施主能级远离导带底,受主能级远离价带顶.深能 级杂质有三个基本特点 :一是不容易电离,对载流子浓度影响不大.二是一般会产生多重能级,甚至既产生施主能级也产生受主能级.三是能起到复合中心作用,使少数载流子寿命降低.四是深 能级杂质电离后以为带电中心,对载流子起散射作用,使载流子迁移率减小,导电性能下降.简述金半结的形成过程及金半结接触的类型 .轻掺杂半导体上的金属与半导体形成整流接触,其接 触面就是金半结 欧姆接触 肖特基接触